Aufgabe 2 - Kraftwerksberechnungen: Leistung und… · Abitur NRW Technik GK · Haupttermin 2022

Aufgabenstellung: Optimierung eines Laufwasserkraftwerks am Hochrhein

Rheinfelden beherbergt das älteste Laufwasserkraftwerk Europas. Die alte Anlage entstand 1898 und erzeugt seither regenerativ elektrische Energie. 2010 wurde die neue Anlage mit 4 Turbinen sowie einer zusätzlichen Dotierturbine in Betrieb genommen. Analysieren Sie beide Kraftwerke in den folgenden Teilaufgaben.

M 1: Schematische Darstellung eines Laufwasserkraftwerks

M 2: Beschreibung des Kraftwerksstandortes

Im Jahr 1884 erteilte der Schweizer Kanton Aargau und im Jahr 1895 das Herzogtum Baden den Kraftwerksbetreibern die Erlaubnis zum Betrieb eines Wasserkraftwerks in Rheinfelden am Hochrhein. Im Jahr 1898 begann das Kraftwerk mit der Stromlieferung ins Netz. Damals war dieses Kraftwerk die größte europäische Wasserkraftanlage zur Elektrizitätsgewinnung. Die Genehmigung für eine Laufzeit von 90 Jahren wurde im Jahr 1989 für weitere 80 Jahre erweitert. Dies erfolgte unter der Auflage, dass ein neues Kraftwerk mit einer höheren Leistung gebaut werden sollte.

Im Sommer 2003 wurde mit dem Neubau des Wasserkraftwerks begonnen. Nachdem 2010 der erste Strom ins Netz geliefert wurde, folgte 2011 die offizielle Einweihung.

Die Flusslandschaft wurde durch ökologische Ausgleichsmaßnahmen im natürlichen Zustand erhalten. Dadurch entstanden naturnahe Fischaufstiege und Laichgewässer. Die Dotierturbine erzeugt dabei eine Strömung, die die Fische in den Aufstieg leitet.

M 3: Technische Daten des alten Wasserkraftwerks

Baujahr · 1898

Ausbaudurchfluss des Kraftwerks · $600\text{ m}^3/\text{s}$

Fallhöhe

bei niedrigem Wasserstand im Unterlauf

bei hohem Wasserstand im Unterlauf

$\Delta h = 6{,}0\text{ m}$

$\Delta h = 4{,}2\text{ m}$

Turbinen (20 Stück, nicht baugleich) · 8 Kaplan-Turbinen

6 Propeller-Turbinen

6 Francis-Turbinen

Generatoren · 8 Drehstromgeneratoren ($6800\text{ V}$, $50\text{ Hz}$)

12 Gleichstromgeneratoren ($100\text{ V}$ bis $1800\text{ V}$)

elektrische Nennleistung · $25{,}7\text{ MW}$

mittlere Jahresarbeit · $185\text{ Mio. kWh}$

M 4: Technische Daten des neuen Wasserkraftwerks

Einweihung · 2010

Ausbaudurchfluss des Kraftwerks durch die Kaplan-Turbinen · $1500\text{ m}^3/\text{s}$

Fallhöhe

bei niedrigem Wasserstand im Unterlauf

bei hohem Wasserstand im Unterlauf

$\Delta h = 9{,}0\text{ m}$

$\Delta h = 6{,}0\text{ m}$

Turbinen (4 Stück, baugleich) · 4 doppelt regulierte Kaplan-Turbinen mit jeweils $28{,}5\text{ MW}$ Bruttoleistung

Dotierturbine · 1 Dotierturbine mit $2{,}28\text{ MW}$ Bruttoleistung

Generatoren · 4 Drehstromgeneratoren

Wirkungsgrad $\eta = 0{,}98$

elektrische Nettoleistung · $4 \times 25\text{ MW} = 100\text{ MW}$

zusätzliche elektrische Nettoleistung · $1 \times 2\text{ MW}$ (durch die Dotierturbine)

mittlere Jahresarbeit · $600\text{ Mio. kWh}$

M 5: Abfluss des Rheins in m³/s in Rheinfelden

b)

Wirkungsgrad des alten Kraftwerks [8 Punkte]

Berechnen Sie unter Verwendung von Material M 3 sowohl die mittlere Fallhöhe als auch die hydraulische Leistung des alten Kraftwerks. Ermitteln Sie anschließend dessen Wirkungsgrad.

c)

Wirkungsgrad und Auslastungsfaktor des neuen Kraftwerks [19 Punkte]

Berechnen Sie unter Verwendung von Material M 4 sowohl die mittlere Fallhöhe als auch die hydraulische Leistung des neuen Kraftwerks. Ermitteln Sie den Wirkungsgrad dieses neuen Wasserkraftwerks. Nennen Sie auf Grundlage der Materialien M 1 bis M 4 die Optimierungen, die beim Neubau umgesetzt wurden. Ermitteln Sie außerdem die Vollbenutzungsstunden sowie den Auslastungsfaktor der neuen Anlage.

d)

Abfluss und Einspeisung des neuen Kraftwerks [10 Punkte]

Erläutern Sie das Diagramm in Material M 5 zum Rheinabfluss am Kraftwerksstandort in Rheinfelden vor dem Hintergrund der Jahreszeiten. Stellen Sie unter Nutzung von Material M 4 in Material M 5 grafisch dar, wie viele Turbinen in den einzelnen Zeitabschnitten in Betrieb waren. Erläutern Sie, wie Sie dabei vorgegangen sind.